聚合物波导三维集成光模式转换器研究
发布时间：2020-04-02 13:43
【摘要】：光通讯网络是支撑现代信息社会发展的重要核心系统。互联网的飞速发展使数据通讯量呈指数增长,但受限于单模光纤的单波长传输容量限制,传统光通信系统中基于波分复用技术的带宽拓展已经很难满足流量的飞速增长,需开发与利用不同的光维度来提升光纤的传输能力。近年来,模式分离与复用技术(Mode Division Multiplexing,MDM)以其独特的优势和发展潜力,获得广泛关注。MDM是一种通过有效利用光纤中不同模式,增强网络传输容量的新方法。与波分复用类似,它通过光模式的拓展来提升传输容量,该技术可以与多芯光纤结合,使光主干网络同时容纳并传输利用多种模式,以有效增加信道的容量。本文对MDM系统中的核心器件-光开关、模式转换器及复用/解复用器进行了理论设计与实验制备,完成了相关器件的理论分析与设计,并利用紫外光刻和等离子刻蚀等标准工艺完成了器件制作,并对其进行了表征与测试。论文主要包括以下几部分:1.设计并制备了带有空气隔离槽结构的低功耗无偏置1×4热光开关,实现模分复用系统中不同模式复用通断控制。采用光束传播法设计了器件结构,通过控制不同电极的工作状态,使光信号分别被路由到4个输出端口。该器件将二氧化硅作为衬底以提高其响应速度,通过刻蚀出空气隔离槽及采用聚合物波导降低器件的功耗。采用有限元法计算对比了二氧化硅和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)做衬底、有空气槽和无空气槽情况下开关的性能。对所制备开关器件的测试和表征结果显示,波导通光状况良好,开关响应的上升与下降时间分别为160和80μs,消光比20 dB,开关功耗6 mW。2.设计了一种采用X节垂直耦合结构的模式转换器,以及基于X节垂直耦合结构的模式复用/解复用器。三维垂直结构模式转换器的上、下两芯层折射率相同,通过改变波导几何尺寸和夹角,可实现从LP_(01)到LP_(11a)、LP_(11b)、LP_(21a)模式的转换。基于该模式转换器所设计的模式复用器件可实现LP_(01)、LP_(11a)以及LP_(21a)模式的复用与解复用。论文还对器件的工艺容差,带宽,以及容量拓展方法进行了分析与讨论。3.设计了一种低功耗的光模式转换开关阵列,详细分析了光场和电极通断与模式输出的关系。通过控制不同电极的工作状态,可以实现LP_(01)、LP_(11a)、LP_(11b)、LP_(21a)四种模式的15种不同组合与通断,最大模式组合驱动功耗仅需18 m W。该器件可以与光纤或波导结合,从而构建完整的模分复用系统。
【图文】：
浏览内容的持续增加给网络造成越来越大的压力。根据A 消费者调查报告，全球范围内 75%的手机与电脑用户都在线观实时流媒体，产品供应商和科研人员需要开发出提升数据传输容供消费者高质量的娱乐与视频体验。传统的光通信中，基于单模技术的带宽拓展技术已经很难满足流量的飞速增长[1]，，需要开发维度来提升光纤的传输能力，如模式和偏振态等[2-5]等。模式分离ode division multiplexing/MDM）是一种通过有效利用光纤中不同传输容量的新方法[6]，与波分复用类似，它通过光模式的拓展来，该技术可以与多芯光纤结合，使光主干网络同时容纳并传输利有效增加信道的容量。 1.1 所示，在信号输入端，通过光模式复用器，不同模态的光被输入，并最终复用到骨干光网络中。在信号接收端，通过模式解复模式又从主干道中被解出到不同的端口之中，并且各种光的模式不相互干扰。这样一来，光主干网络中就可以同时传输多种光信络具有更高的光传输容量。如果与波分复用相结合，则可进一步信系统的传输容量。
自上世纪80年代以来，人们提出了多种基于不同结构与材料的MDM器件，主要包括基于光纤和基于波导两种类型。其中，基于光纤的 MDM 器件主要包括长周期光纤光栅、光子灯笼和模式选择耦合器等结构；基于波导的 MDM 器件主要有光栅、马赫-曾德尔干涉仪（Mach Zehnder Interferometer,MZI）和平面耦合器等结构。1986 年，研究人员 Byoung Kim 等设计了基于光纤耦合器的模式转换器件，它通过平行耦合器结构在光纤中实现了从 LP01模式到 LP11模式之间的转换，模式转换效率大于 97%[9]。空间分离与复用技术（SDM）的提出，成为拓展信息容量另一种非常有效的方法。2011 年，贝尔实验室的 R. Ryf 等研发人员人提出一种基于相位板的模式复用与解复用系统[10]。李桂芳教授利用高阶模式光纤实现了超过 1000km 的远距离通信，并获得了相关的专利[11]；日本的研究人员提出了为了提升光纤传输容量的“3M”技术，被视为通信领域革命性技术之一[12]。在 2014 年香港城市大学的研究人员[13]报道了一种可调制的模式复用/解复用器件，通过在 MZI 结构上施加热场调谐的方式实现了 LP01模式与 LP11a模式之间的转换，并可以通过加热的方式进行切换。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
本文编号：2612029
【图文】：
浏览内容的持续增加给网络造成越来越大的压力。根据A 消费者调查报告，全球范围内 75%的手机与电脑用户都在线观实时流媒体，产品供应商和科研人员需要开发出提升数据传输容供消费者高质量的娱乐与视频体验。传统的光通信中，基于单模技术的带宽拓展技术已经很难满足流量的飞速增长[1]，，需要开发维度来提升光纤的传输能力，如模式和偏振态等[2-5]等。模式分离ode division multiplexing/MDM）是一种通过有效利用光纤中不同传输容量的新方法[6]，与波分复用类似，它通过光模式的拓展来，该技术可以与多芯光纤结合，使光主干网络同时容纳并传输利有效增加信道的容量。 1.1 所示，在信号输入端，通过光模式复用器，不同模态的光被输入，并最终复用到骨干光网络中。在信号接收端，通过模式解复模式又从主干道中被解出到不同的端口之中，并且各种光的模式不相互干扰。这样一来，光主干网络中就可以同时传输多种光信络具有更高的光传输容量。如果与波分复用相结合，则可进一步信系统的传输容量。
自上世纪80年代以来，人们提出了多种基于不同结构与材料的MDM器件，主要包括基于光纤和基于波导两种类型。其中，基于光纤的 MDM 器件主要包括长周期光纤光栅、光子灯笼和模式选择耦合器等结构；基于波导的 MDM 器件主要有光栅、马赫-曾德尔干涉仪（Mach Zehnder Interferometer,MZI）和平面耦合器等结构。1986 年，研究人员 Byoung Kim 等设计了基于光纤耦合器的模式转换器件，它通过平行耦合器结构在光纤中实现了从 LP01模式到 LP11模式之间的转换，模式转换效率大于 97%[9]。空间分离与复用技术（SDM）的提出，成为拓展信息容量另一种非常有效的方法。2011 年，贝尔实验室的 R. Ryf 等研发人员人提出一种基于相位板的模式复用与解复用系统[10]。李桂芳教授利用高阶模式光纤实现了超过 1000km 的远距离通信，并获得了相关的专利[11]；日本的研究人员提出了为了提升光纤传输容量的“3M”技术，被视为通信领域革命性技术之一[12]。在 2014 年香港城市大学的研究人员[13]报道了一种可调制的模式复用/解复用器件，通过在 MZI 结构上施加热场调谐的方式实现了 LP01模式与 LP11a模式之间的转换，并可以通过加热的方式进行切换。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN929.1
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 闫云飞;郑传涛;孙小强;王菲;张大明;;Fast response 2×2 thermo-optic switch with polymer/silica hybrid waveguide[J];Chinese Optics Letters;2012年09期
相关硕士学位论文 前1条
1 文雪;聚合物基光波导光纤耦合及封装研究[D];大连理工大学;2011年
本文编号：2612029
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/wltx/2612029.html
